基于相控陣超聲的鋁合金焊接監(jiān)測方法

閔少松,朱志潔,陸雷俊,孟慶旭

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院,湖北 武漢430033;2.上海船舶工藝研究所,上海 200032)

0 引言

鋁合金材料在各類中小型高速艇中得到了大量的應(yīng)用。相對于鋼質(zhì)船體材料,鋁合金薄板在焊接過程中極易產(chǎn)生變形,需要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范施工。但是,依靠人工經(jīng)驗判斷很難保證焊接工藝規(guī)范的嚴(yán)格執(zhí)行。焊接過程中鋁合金薄板焊縫會產(chǎn)生氣孔和未熔合等常見缺陷,常用的焊縫質(zhì)量檢測手段也容易出現(xiàn)漏檢問題。對此類缺陷,射線檢測靈敏度不高,常規(guī)超聲檢測由于壁厚較薄無法進(jìn)行準(zhǔn)確識別,給準(zhǔn)確評判焊接質(zhì)量帶來困難。由此導(dǎo)致鋁合金船體結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量難以得到保障,進(jìn)而對鋁合金船體結(jié)構(gòu)的修造質(zhì)量和船舶安全使用帶來隱患。

為有效解決這一問題,需要從焊接過程及焊后檢測2個方面來保證鋁合金薄板焊接質(zhì)量。在鋁合金焊接過程監(jiān)測方面:王蕤等[1]利用點焊過程中熔核質(zhì)量信息,構(gòu)建了以焊接磁場、焊接電壓和電極位移為焊接質(zhì)量評定特征信息的鋁合金點焊質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng);于鵬[2]基于焊接電流信號和焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場溫度信號開發(fā)了鋁合金焊接監(jiān)測系統(tǒng);張志芬[3]研究了焊接電信號、電弧聲信號、電弧光譜信號及熔池圖像的多信息鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)焊接監(jiān)測系統(tǒng);白韶軍等[4]構(gòu)建了基于虛擬儀器技術(shù)的電弧焊參數(shù)和電弧物理形態(tài)的高速攝像測試系統(tǒng),并采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)對焊接過程進(jìn)行質(zhì)量控制;李玉龍等[5]采用數(shù)值模擬和試驗結(jié)合的方法,分析了鋁合金超聲波焊接過程中不同焊接參數(shù)對焊接界面溫度的影響規(guī)律。上述研究可有效監(jiān)測鋁合金焊接過程,但現(xiàn)階段,修船廠難以對鋁合金焊接過程的工藝參數(shù)進(jìn)行實時采集與預(yù)警,為此,還需要更具廣泛應(yīng)用價值的監(jiān)測手段。在焊后質(zhì)量檢測方面:WU等[6]采用金相法觀察2024鋁合金攪拌摩擦焊焊后的材料流動,建立了三維數(shù)值模型并基于該模型計算了攪拌針附近塑性材料流動加速度分布;吳振成等[7]發(fā)現(xiàn)渦流陣列檢測技術(shù)可用于鋁合金等材料攪拌摩擦焊焊縫表面及近表面缺陷的檢測;洪宇翔等[8]提出了支持向量機(jī)模型對熔池穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行識別的方法,進(jìn)而對鋁合金爬坡鎢極惰性氣體保護(hù)焊熔池失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行檢測;閆中廣等[9]采用激光結(jié)構(gòu)光視覺檢測方法,分析了鋁合金焊縫各種缺陷在深度圖像和灰度圖像中的表現(xiàn)結(jié)果,驗證了該方法在鋁合金焊縫缺陷檢測方面中的可行性;李小欣等[10]采用自聚集探頭和常規(guī)探頭進(jìn)行相控陣檢測方法對鋁合金焊接接頭焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測,結(jié)果表明就缺陷檢出率和缺陷定量精度而言,探頭的選擇與鋁合金焊接接頭的厚度有密切關(guān)系。上述鋁合金焊接質(zhì)量檢測方法研究為鋁合金焊接后質(zhì)量檢測提供了技術(shù)支撐。

相對于其他的檢測方法,相控陣超聲檢測從安全性、準(zhǔn)確性和操作性方面具有顯著的優(yōu)勢。但現(xiàn)階段,相控陣超聲技術(shù)用于鋁合金薄板的研究相對較少,相關(guān)工藝參數(shù)尚未明確,在實際工程應(yīng)用中還存有不足。為此,本文從焊接過程監(jiān)測和焊接質(zhì)量檢測2個方面提出了以熱輸入量為指標(biāo)的焊接過程工藝規(guī)范性監(jiān)測方法和基于相控陣超聲的焊后質(zhì)量檢測方法,對相應(yīng)方法的可行性進(jìn)行了驗證后,基于焊接過程監(jiān)測方法和焊后質(zhì)量檢測方法給出了鋁合金焊接質(zhì)量綜合管控方法。

1 基于相控陣超聲的鋁合金焊接質(zhì)量管控

1.1 鋁合金薄板焊接質(zhì)量相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術(shù)是常規(guī)超聲檢測在計算機(jī)、孔徑合成和相位延遲技術(shù)上發(fā)展起來的超聲檢測技術(shù),將按一定規(guī)律排列的相控陣探頭中的多個晶片,按預(yù)先規(guī)定的設(shè)置(延時、增益、振幅等)激發(fā),被激發(fā)的晶片發(fā)射(或接收)偏轉(zhuǎn)和聚焦的聲束檢測工件中的缺陷情況,并對缺陷進(jìn)行成像,具有縱向聲束可調(diào)等優(yōu)點,能克服常規(guī)超聲檢測單角度掃查、前沿較長等技術(shù)局限性。相控陣超聲檢測焊接缺陷的原理示意圖見圖1。

圖1 相控陣超聲檢測聲波激發(fā)原理圖

1.2 焊接工藝參數(shù)監(jiān)測

鋁合金焊接過程中存在諸多因素影響焊接質(zhì)量,如:原材料因素、焊接設(shè)備因素、焊工因素、焊接環(huán)境因素、焊接過程因素、質(zhì)量檢驗因素等。由于焊接過程熱輸入量的變化對焊接質(zhì)量具有顯著的影響,通常以焊接過程中的熱輸入量作為焊接變形的關(guān)鍵參數(shù)依據(jù),這就需要獲取實際焊接電流、電壓及焊接速度3個關(guān)鍵工藝參數(shù)。實際焊接電流和電壓信息的準(zhǔn)確采集和記錄極其困難,目前主要依據(jù)焊機(jī)顯示的電流和電壓參數(shù),由人工事后填寫施工記錄表。這種做法存在以下問題:

(1)人工記錄的參數(shù)數(shù)據(jù)與實際焊接電流和電壓之間存在較大的差異,焊接熱輸入量的計算結(jié)果亦存在較大誤差。

(2)焊接速度通常由施工人員在焊接施工完成后,大致估算一個速度值或者在工藝給定的速度范圍估計一個速度值,并作為后期焊接熱輸入量的計算參數(shù)輸入,存在較大的人為誤差,因此焊接熱輸入量的計算結(jié)果存在較大的累積誤差。

(3)焊接過程中缺乏相應(yīng)的記錄手段,如焊接過程中出現(xiàn)熱輸入量超限(以實際焊接電流、電壓和焊接平均速度計算得出)時無法及時預(yù)警和調(diào)整,只有在焊接完成后,通過事后檢驗手段才能發(fā)現(xiàn)焊接過程的不足。

(4)整個焊接過程無實時數(shù)據(jù)記錄,無法追溯,無法為改進(jìn)施工工藝和提高焊工水平提供參考。

為保證鋁合金船體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量,采用相應(yīng)的焊接過程監(jiān)測手段,對焊接電流、電壓等工藝參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測采集和處理,并根據(jù)焊接時長及焊縫長度計算每道焊縫的平均速度,進(jìn)而得出該道焊縫的焊接熱輸入量,作為判斷焊接質(zhì)量的輔助依據(jù)。

為了能夠及時、清晰地采集焊接過程的焊接參數(shù)(焊接長度、平均電流、平均電壓、平均焊接速度、實際熱輸入量)并進(jìn)行分析輸出,使用焊接全過程質(zhì)量追蹤與分析系統(tǒng)對采集記錄的焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)自動提取、計算,并按固定格式生成與焊縫相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析報告。

焊接全過程質(zhì)量追蹤與分析系統(tǒng)邏輯框圖見圖2。具體流程:首先,實時跟蹤監(jiān)測焊接過程中的質(zhì)量影響參數(shù),實現(xiàn)焊接過程中不規(guī)范操作及時報警和操作記錄;然后,使用相控陣檢測重點排查焊接工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴(yán)格部位;最后,基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對后續(xù)焊接施工工藝參數(shù)提供優(yōu)化。

為了確保焊接質(zhì)量,焊接熱輸入量必須處于規(guī)定的范圍之內(nèi)。按照工藝規(guī)范中規(guī)定電流(130～145 A)、電壓(19.9～23.0 V)和焊接速度均值(20～30 cm/min)計算得出的焊接熱輸入量參考標(biāo)準(zhǔn)為5 174～10 005 J/cm。

2 實例分析

為驗證鋁合金薄板焊接過程監(jiān)測與相控陣超聲檢測方法,取9塊試板,各試板檢驗測試參數(shù)見表1。

表1 試板基本參數(shù)

2.1 參數(shù)設(shè)置

2.1.1 焊縫檢測角

為充分檢測焊接缺陷,采用相控陣超聲檢測方法對焊縫檢測時還需設(shè)置合適的角度。若選取角度過小,探頭偏置設(shè)置離焊縫過于靠近,會導(dǎo)致小角度的二次波進(jìn)入探頭且顯示,從而混淆余高區(qū)域的缺陷信號,可能造成如焊趾裂紋等缺陷漏檢及結(jié)構(gòu)信號誤判為缺陷信號。為避免該情況出現(xiàn),檢測角度設(shè)置為35°。

2.1.2 步進(jìn)偏移偏差

除了設(shè)置合適的檢測角度外,采用相控陣超聲檢測方法對焊縫檢測時還需設(shè)置合適的步進(jìn)偏移偏差。當(dāng)步進(jìn)偏移超過2 mm時,本應(yīng)顯示在坡口中心的缺陷已經(jīng)顯示到坡口邊上,容易造成缺陷性質(zhì)的錯判與缺陷漏檢。為此,對于薄板檢測,定位精度的誤差造成的圖像質(zhì)量影響會按比例放大。對于探頭偏置誤差的要求比常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格,本文步進(jìn)偏移偏差不超過1 mm。

2.1.3 掃查速度

鋁合金薄板焊縫相控陣超聲檢測掃查時,掃查速度受脈沖重復(fù)頻率、信號平均值、掃查角度增益等因素影響。過大的掃查速度會導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不能還原焊接缺陷的真實情況,從而導(dǎo)致漏檢和誤檢。結(jié)合初步工藝,開展不同速度下的柱孔分辨力測試,主要考察相鄰缺陷的識別能力。為確保試驗速度的可靠性,用掃查工裝控制掃查速度。將試板放置于平板上,固定掃查裝置,校準(zhǔn)相關(guān)距離參數(shù)后,采用15、20、30 mm/s不同的掃查速度對9個試板進(jìn)行測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)掃查速度不大于20 mm/s時,能區(qū)分相鄰間距不超過2 mm的Φ1 mm柱狀通孔。考慮檢測效率,本文掃查速度設(shè)定為20 mm/s。

2.2 焊接過程監(jiān)測

鋁合金焊接過程中焊接熱輸入量統(tǒng)計曲線見圖3。從圖中可以看出,焊縫蓋面焊接過程中實際焊接熱輸入量大部分處于焊接熱輸入量上下限范圍內(nèi),但有2條焊縫的熱輸入量超出范圍,其中最小熱輸入量為2 916 J/cm。由于焊接熱輸入量較小,焊接完成后可能會出現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷,因此在焊接完成后的質(zhì)量檢測中需重點關(guān)注。

圖3 焊接蓋面焊熱輸入量統(tǒng)計曲線

針對鋁合金薄板焊縫內(nèi)部質(zhì)量相控陣超聲檢測的實際情況,開展對接接頭的相控陣掃查實際范圍測試,測試區(qū)域設(shè)置槽、側(cè)邊橫孔等反射體,人工缺陷設(shè)計覆蓋焊縫熱影響區(qū)、焊趾、焊縫中心等不同部位的缺陷,缺陷種類涵蓋條狀刻槽及側(cè)邊鉆孔,設(shè)計反射體能體現(xiàn)缺陷的存在部位和反射當(dāng)量。試板焊接缺陷檢測結(jié)果見表2。

表2 試板焊接缺陷檢測結(jié)果

由結(jié)果可知,在目標(biāo)區(qū)域發(fā)現(xiàn)未熔合的焊接缺陷,而該處的位置與熱輸入量過低的位置是一致的。本文提出的鋁合金薄板焊接質(zhì)量綜合管控方法可發(fā)現(xiàn)試板內(nèi)部存在的所有自然原始缺陷,檢測范圍可達(dá)焊縫全部區(qū)域,顯著提高了鋁合金薄板焊接質(zhì)量管控效率。

3 結(jié)論

(1)對焊接過程焊接參數(shù)監(jiān)測與統(tǒng)計分析技術(shù)進(jìn)行分析,明確了焊接熱輸入量的統(tǒng)計計算方法,提出以焊接熱輸入量上下限作為焊接過程監(jiān)測指標(biāo)。

(2)針對鋁合金薄板相控陣超聲檢測實際需求,開展了相控陣超聲檢測區(qū)域、過小角度檢測、步進(jìn)偏移試驗和掃描速度試驗驗證等工作,解決了優(yōu)化制定鋁合金相控陣超聲檢測原則工藝的關(guān)鍵問題,為船廠提高鋁質(zhì)船體修造質(zhì)量提供了方法手段參考。